JP2014005009A - 液体充填用ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】充填ノズルのパイプ先端の内外周に付着した液体の液ダレを防止することが可能な液体充填用ノズルの提供を課題とした。
【解決手段】少なくとも、液体が流れるパイプ３とその流量を制御するため弁体７とオリフィス８からなる弁機構４をパイプ３内に備える充填ノズルであって、パイプ３先端部の内外周にフッ素系ナノ粒子のコーティング層９を備え、さらにパイプ３が、上流側にパイプ振動機構２を備える液体充填用ノズルである。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を液体容器に充填するに当たり、流体の流れる流量、流速、方向、圧力等を制御するために使用する液体充填用ノズルに係り、特には充填ノズル待機時にノズル先端からする液ダレを防止する技術に関するものである。

ジュース、乳飲料、酒類等の飲料は、液体充填装置によりビンや紙製容器等の液体容器に所定量だけ充填される。この充填装置には種々の方式・変形があるが、いずれも供給タンクに収容された液体充填物（以下、単に液体と記すこともある。）を充填ノズル先端から容器内に吐出するものである。充填ノズルは、基本的には液体が流れるパイプ部と、液体の流量（吐出と遮断）もしくは流速等を制御するための弁機構等からなり、弁機構はパイプの先端近傍等所定の位置に備え付けられている。

供給タンクから充填ノズルへの充填物の送出については、重力を利用する場合もあるが、一般には何らかのピストン機構により充填物を圧送している。圧送の方が粘性の高い充填物や果肉等を含む非均一系充填物も充填が可能で、ピストン機構のストロークを調整することにより充填量の調整も容易であり、また圧送と弁開閉の同期も取りやすいため、充填物と液体容器双方に対する適応性が高い。

液体充填装置では、液体容器は、間欠的に充填ノズルの下部に配流され、充填ノズルから所定の時間だけ充填物が吐出・滴下される。所定量の充填が終われば、次の吐出まで充填ノズルは待機状態に入る。ノズル先端は、容器口部に挿入する場合もあれば、挿入されない場合もある。挿入する場合でも、浅い場合、深い場合、あるいは充填物液面に対応して移動する等多様な形態がある。

いずれにしても間欠的な液体充填では、一つの容器の充填終了後から次の容器の充填開始までの待機期間中に、充填ノズル先端部に付着した充填物が乾燥して固化したり、ノズルから垂れ落ちる液ダレが避けられない。半固形物については言うに及ばず、液ダレは、容器の口部周辺や外面あるいは搬送装置上に滴下してこれらを汚損するという不具合が生じる。

液ダレ防止については、充填ノズルの内部構造を工夫して、充填終了時にノズル内を負圧にして、ノズル内外周に残存している充填物を吸引する技術が開示されている（特許文献１）。あるいは、ノズル先端内面部にメッシュ状のスクリーンを設置し、これらの材質と形状を最適化することで、充填物とスクリーン間の摩擦力を大きくし、充填物をスクリーン中央に集めて液ダレを防止する技術が開示されている（特許文献２）。

さらに別の技術として、充填ノズルと充填ノズルが往復するパイプ状のノズルガイドを組み合わせる充填方式にし、待機時には、ノズルガイドと充填ノズルとの間にＯリングが配設されるようにして、ノズルガイド内に滞留した充填物が落下しないようにした技術がある（特許文献３）。

充填ノズルは、図１に示すようにパイプ３とパイプ内を通過する液体の流量等を制御する弁機構４（少なくとも弁体７及びオリフィス８を含む）からなるが、従来の液ダレ防止技術は、上記技術を含め、弁体７もしくはオリフィス８から上方に滞留している液体がパイプ３先端から下方に落下しないようにするための技術であって、弁体７もしくはオリフィス８から下方に延在するパイプ３の内周と端部に付着した液体の落下を防止するものではない。あるいは、パイプ３が液体容器の口部から内部に挿入されて液体中に浸る場合のようにパイプ３外周にも液体が付着する場合の液ダレを防止するものではない。

特開平５−７７８９１号公報 特開２０１０−４２８７０号公報 特開平９−６６９０２号公報

そこで本発明は、充填ノズルのパイプ先端の内外周に付着した液体の液ダレを防止することが可能な液体充填用ノズルの提供を課題とした。

上記課題を達成するための請求項１に記載の発明は、少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周にフッ素系ナノ粒子のコーティング層を備えることを特徴とする液体充填用ノズルとしたものである。

請求項２に記載の発明は、さらに、前記弁体のパイプ先端側表面にもフッ素系ナノ粒子のコーティング層を備えることを特徴とする請求項１に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項３に記載の発明は、前記パイプが、パイプ振動機構を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項４に記載の発明は、前記フッ素系ナノ粒子のコーティング層が電着塗装法により形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズルとしたものである。

請求項１に記載の発明は、液体吐出口近辺のパイプの内外周や端面等の接液部にフッ素系ナノ粒子からなるコーティング層を設けたもので、この構成により接液する部位の水・油成分に対する撥水性を強化したものである。その結果、残存液体は、コーティング層上で滴状を呈し、パイプ表面からの液切れがよくなり液体付着量が低減するという効果がある。したがって、液ダレが防止される。

請求項２に記載の発明は、パイプの内外周にフッ素系ナノ粒子のコーティング層を設けた上に、弁体自体にもフッ素系ナノ粒子層を設けたものである。パイプ内を通過して吐出される液体に接液するのはパイプの内周部だけでなく、流量を制御する弁体やオリフィスも接液しており、弁体とオリフィスの下側（ノズル先端の下流側）に付着した液体は液ダレする可能性があるからである。

請求項３に記載の発明は、パイプの上流側にパイプ先端部が上下左右のいずれかに振動するように振動機構を設けた充填用ノズルである。パイプ内外周及び弁の下側のフッ素系ナノ粒子層に付着した水滴を、充填終了時にパイプ等を振動させることで容器口部に振り落とすことができる。

請求項４に記載の発明は、パイプ先端から所定の距離だけにフッ素系ナノ粒子層を形成
する手段を電着塗装法に特定するもので、電着塗装法によってパイプの内側など複雑な形状を呈する部位にも均一な皮膜を容易に形成することが可能となる。

充填用ノズルの構造を模式的に説明する断面視の図である。 パイプ部分の内外周他にフッ素系ナノ粒子のコーティング層を備えた状態を模式的に説明する断面視の図である。 ランジュバン型圧電振動子の構造の一例を説明する外面図である。

液体充填用のノズルには、種々の形態があるが、基本的には図１に抽象的に示すように液体がそれを通過して液体容器の中に注ぎ込まれるパイプ３と流量を制御するためにパイプの途中に設置される弁機構４からなる。弁機構４は、少なくとも弁体７とオリフィス８から構成される。図１には、充填用の液体が収容されている供給タンク、弁体の駆動機構等は図示していない。

充填用ノズル１のパイプ３内部には、弁機構４以外にもその下流側に図示しない液体の流れ５の向きを揃える整流部やフィルターを備えることがある。弁機構４のオリフィス８の開口部も一つに限らず複数開口部に分けられる場合もあるし、複数の管状に形成される場合もある。オリフィス８を塞ぐ弁体７はパイプ３内を上下に移動するように描かれているが、パイプ３を横断するように開閉しても構わない。弁体７を駆動する駆動力としては機械的力学的であっても電磁気的であっても構わない。弁体７を使用せずにオリフィス８の開口径を大小して流量を制御しても構わない。

本発明になる液体充填用ノズル１は、単に弁機構４から下流側のパイプ３やオリフィス８表面の表面状態に関わるものであり、上記の機構的詳細には依存しない。
以下、本発明を詳しく説明する。

液ダレをなくすためには、液体を所定量だけ容器に充填した後に、閉じた弁体７の下流側の表面から下側の大気に接する弁機構４とパイプ３の内表面、パイプ３の端部及びパイプ３の外周部に充填用液体が付着していなければよい。これを実現する方法として、図２に示すようにノズル先端からノズル内外周の一定の長さ部分に、水に対する撥水性が高い撥水層９を設けたものである。外周については、撥水層９は液体が付着する可能性のある高さ（Ｌ）まで設けられる。パイプ３の内側については、弁体７とオリフィス８の裏面を含め万遍なく撥水層９を設けるのが望ましい。

撥水層９としては、フッ素系ナノ粒子を電着塗装するのが好ましい。さらに、撥水層９に付着した液滴を、充填終了後に充填ノズルが充填容器（図示せず）から離れるタイミングで容器内に振り切ることがより好ましい。これにより一層容器外への液ダレを防止することができる。水滴を振り切る手段としては超音波振動をパイプ３の上流側の適切な位置に設置して、充填終了時のノズル引き上げに同期してパイプ３先端部を振動させるのが好ましい。

撥水性の強さは、表面自由エネルギーの低さということができるが、表面自由エネルギーの低い物質としては、飽和フルオロアルキル基（特にトリフルオロメチル基（−ＣＦ_３ ⁻）、アルキルシリル基、フルオロシリル基、長鎖アルキル基のような官能基を有する材料を挙げることができる。トリフルオロメチル基が平面状に規則正しく配列した表面と水との接触角は１２０°前後であるが、これは通常の金属表面の１０〜６０°に比べると大きく振動印加で落ちやすくなる。そこでトリフルオロメチル基を含む化合物物をパイプ３の内外周や弁体７裏面にコーティングすれば、当該部位に撥水性を付与できる。
本発明では、フッ素系ナノ粒子のコーティング層を電着塗装法により形成し撥水層とした。

電着塗装法は、塗料と被塗物にそれぞれ違う極性の静電気を負わせ、水性塗料中に被塗物を入れて塗装する方法である。水性塗料中に浸漬した非塗物部分だけにしか塗膜が形成されない。一般的にアニオン電着塗料とカチオン電着塗料の２種類があるが、電着塗料のほとんどは、カチオン電着塗料でありアニオン電着塗料はほとんど使用されていないが、カチオン系の方が防食性能が優れるからである。塗料は必ず水性塗料であり、原理としては水を電気分解したときに発生するアルカリ性を利用して中和反応で塗膜を形成するからである。具体的には、トリフルオロメチル基を含む化合物で平均粒子径が５〜１０ｎｍ程度のフッ素系ナノ粒子を塗料とするのが好ましい。

弁体７やオリフィス８も金属製であれば同じようにして撥水性コーティング層の形成ができる。非金属であれば、無電界めっき皮膜を形成するなどして形成ができる。

フッ素系ナノ粒子のコーティング層９を設けたパイプ３は、パイプ内外周に付着した液体は直ぐに流れ落ちてしまうが、本発明は、更に水切りを良くするために超音波振動をパイプに加えて付着した液体を振り切る構造とした。ランジュバン型圧電素子２をパイプ３の上流側の適切な位置に装着した。超音波振動を加えるタイミングは、一つの容器に対する充填終了時（待機直前）、あるいは、もし容器と充填ノズルを引き離すのであれば、引き離すと同時か直前が好ましい。

ランジュバン型圧電素子２は、図３で示すように電圧を加えると伸びたり縮んだりするセラミックの一種であるピエゾ素子２３，２４二つと電極板２６，２７を、金属ブロックＡ２５と金属ブロックＢ２１で挟み込み、これらをボルト２２を用いて貫通するように強く締めこんだものである。このピエゾ素子２３、２４と及び金属ブロック２１，１５の間に駆動端子２７とアース端子２６を設け、この端子に交流電圧を加えると金属ブロックＡは高速振動する。従って金属ブロックＡの先端部分にたとえばナイフを装着しておけば非常に切れ味の良い超音波ナイフとして使えるし、パイプを接続すればパイプを振動させることができる。ピエゾ素子は、図３に示す形態のものに限らず様々な形態があり、組み合わせを工夫することで色々な振動を得ることが可能である。
金属ブロックの振動数は、２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚの範囲、振幅は、振動数にもよるが、ピークツーピークで概ね７０μｍ程度まで可能である。

１、充填ノズル
２、振動機構
３、パイプ
４、弁機構
５、液体の流れ
６、パイプ吐出口
７、弁体
８、オリフィス（開口部）
９、フッ素系ナノ粒子層
１０、弁の下流側に設けたフッ素系ナノ粒子層
２１、金属ブロックＢ
２２、ボルト
２３、第二のピエゾ素子
２４、第一のピエゾ素子
２５、金属ブロックＡ
２６、アース端子
２７、駆動端子

Claims (4)

1. 少なくとも、液体が流れるパイプとその流量を制御するため弁体とオリフィスからなる弁機構とをパイプ内に備える充填ノズルであって、パイプ先端部の内外周にフッ素系ナノ粒子のコーティング層を備えることを特徴とする液体充填用ノズル。
2. さらに、前記弁体のパイプ先端側表面にもフッ素系ナノ粒子のコーティング層を備えることを特徴とする請求項１に記載の液体充填用ノズル。
3. 前記パイプが、パイプ振動機構を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体充填用ノズル。
4. 前記フッ素系ナノ粒子のコーティング層が電着塗装法により形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体充填用ノズル。